1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 AT89C51 的温度自动控制器的设计 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 本文介绍了以 AT89C51 单片机为核心的数字温度测量及自动控制系统的设计，该温度控制器可以实时显示和设定 温度，实现对温度的自动控制。其组成部分为： AT89C51 单片机、 DS18B20 智能数字温度传感器、键盘与显示电路、温度控制电路。高精度的 DS18B20 温度传感器作为温度 检测元件 ， LED 数码管并行动态显示作为显示电路，单片机通过对信号进行相应处理，从而实现对所测温度进行控制。 该温度控制器具有
2、控制方便、简单的特点，可以 实现对 温度 的高精度控制 ，并且可以提高被控系统的技术指标。 关键词： AT89C51； DS18B20；自动温度控制 - 3 - ABSTRACT This page introduces a digital temperature measurement and control system, which used AT89C51 microcontroller as the core. The temperature controller has a real-time display and temperature which can be set by
3、anytime. And it can control the temperature automatically. Its controller is AT89C51, DS18B20 intelligent digital temperature sensor, keyboard and display circuit, temperature control circuit are used in this system. In order to realize control the temperature, precision temperature sensor DS18B20 h
4、as been used as the temperature sensor, LED digital tube has been used as the display circuit in parallel dynamic way, and microcontroller has been used to deal. The design of the temperature control system is convenient and simple characteristics, can achieve high precision control of temperature,
5、thus raising the system was charged with the technical indicators. Keywords: AT89C51; DS18B20; Automatic Temperature Control System - 4 - 目 录 1 引言 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内外研究概况 . 1 1.3 本文研究内容及研究目的 . 2 1.4 本 文主要工作及章节安排 . 2 1.4.1 本文主要工作 . 2 1.4.2 章节安排 . 3 2 系统总体设计思想 . 4 2.1 系统基本要求及系统性能 . 4 2.1.1 基本要求 .
6、 4 2.1.2 系统性能要求 . 4 2.2 硬件电路分析与方案选择 . 5 2.2.1 硬件电路分析 . 5 2.2.2 硬件电路确定 . 5 2.3 温度控制方式分析 . 6 2.4 温度传感器分析与方案选择 . 6 2.4.1 方案一：采用 DS18B20 数字温度传感器 . 6 2.4.2 方案二：采用 AD590 模拟集成温度传感器 . 7 2.4.3 温度传感器确定 . 7 2.5 本章小结 . 8 3 硬件设计 . 9 3.1 系统硬件总体结构 . 9 3.2 主控模块设计 . 9 3.2.1 AT89C51 介绍 . 9 3.2.2 主控模块设计 . 12 3.2.3 时钟电
7、路 . 13 3.2.4 复位电路 . 14 3.2.5 按键电路 . 14 3.2.6 报警电路 . 15 3.3 温度传感器模块 . 15 3.4 显示电路模块设计 . 17 3.5 电源电路 . 18 3.6 本章小结 . 19 4 程序设计 . 20 4.1 温度控制器的程序设计流程图 . 20 4.2 程序模块分析 . 21 4.3 软件抗干扰措施 . 22 4.4 本 章小结 . 23 5 系统调试 . 24 5.1 系统硬件调试 . 24 5.2 系统软件调试 . 24 5.3 设置温度的存储调试 . 24 - 5 - 5.4 本章小结 . 24 6 结论 . 25 6.1 总结
8、 . 25 6.1.1 经济效益分析 . 25 6.1.2 社会效益分析 . 25 6.2 展望 . 25 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 27 附录 1 原理设计图 . 28 附录 2 PCB 版图 . 30 附录 3 毕业设计作品说明书 . 31 附录 4 系统实物图 . 32 附录 5 系统源程序 . 33 - 1 - 1 引言 1.1 课题背景 温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新，温度的测量范围要求不断扩大，同时温度的测量准确性要求不断提高。对温度测量的要求也越来越高，因此，温度检测和温
9、度检测技术的研究也是一个重要的研究课题。本文介绍了以 AT89C51 单片机为核心的数字温度测量及自动控制系统的设计。本文的工作可以应用于电子产品的生产、食品加工、其它工业生产及医疗器械生产等方面，在实 用中具有非常广阔的应用前景 1。 在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极为重要的实际意义。采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量和数量 2。 1.2 国内外研究概况 我国对于温度测控技术的研究较晚，始于 20 世纪 80 年代。我国工程技术人员在吸
10、收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计 算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展 3。 国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。他们主要具有如下的特点 4： 1适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制； 2能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制； 3能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制； 4温度控制系统普通采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；
11、5温度控制器普遍具有 参数自整定功能，借助计算机软件技术，温控器具- 2 - 有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能，有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调节相关控制参数，以保证控制效果的最优化； 6具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。 1.3 本文研究内容及研究目的 在实际生产过程中，温度的变化往往受到外界环境扰动的影响，温度的变化导致融化要炼制的物质的同时也融化了其他杂质，以致炼制纯度不高。因此，本设计要求，加热锅炉在工作时是必须严格控制温度的，温度的范围可以人工设定，要求熔炉中的温度变化范围 在 1 以内，以免在融化所要炼制的物质的同时也融化了其
12、他杂质，导致炼制纯度不够高 2。 通过对温度控制器的研究设计，利用单片机程序设计、自动控制理论、检测技术与仪表方面的知识，实现加热炉在工作过程中温度变化范围在 1 以内，并且可人工设定温度范围内的任一温度点。当温度比设定温度小时，控制器接通电加热设备；当温度大于等于设定温度时，控制器断开电加热设备 5。 此外，通过此次设计巩固我们学过的知识，开拓自己的视野，提高自己理论联系实践能力，为提高自身竞争能力打下基础。 1.4 本文主要工作及章节安排 1.4.1 本文主要工作 1在对温度控制器的发展现状、温控系统各个方式进行调研基础上，选择整个系统的设计方案； 2研究该系统的温度控制策略，选取合理的温
13、度控制方式对温度进行控制； 3完成系统的硬件设计，包括主控电路、输入电路、输出电路等的设计； 4完成温度控制器设计原理图和 PCB 图。 5完成该系统的软件设计，包括主程序模块、各个子模块等一系列模块的设计，并完成该控制程序的编写； 6完成系统的软、硬件调试工作； - 3 - 1.4.2 章节安排 本论文由以下几部分组成： 第一章 引言 主要介绍本文的背景知识、温度控制 器的国内外发展现状以及本文所完成的主要工作； 第二章 系统总体设计思想 主要对系统的总体进行分析，确定总体设计方案。 第三章 硬件设计 主要介绍系统各部分的硬件组成和特点，包括单片机主控系统、输入和输出系统等等； 第四章 软件
14、设计 介绍系统软件各主要功能模块的设计； 第五章 系统调试 包括系统软、硬件的调试，以及按键的调试等等； 第六章 结论 全文工作的总结和展望。 - 4 - 2 系统总体设计思想 该系统的总体设计思路如下：温度传感器 DS18B20 把所测得的温度发送到单片机上，经过单片机处理，将把温度在 显示电路上显示。本系统除了显示温度以外还可以在要求范围内人工设置任意一个温度值，对所测温度进行控制，当温度比设定温度小时，控制器接通电加热设备；当温度大于等于设定温度时，控制器断开电加热设备。 图 2-3 系统框图 2.1 系统基本要求及系统性能 2.1.1 基本要求 温度的范围可以人工设定，要求温度变化范围
15、在 1 以内，当温度比设定温度小时，控制器接通电加热设备；当温度大于等于设定温度时，控制器断开电加热设备。 2.1.2 系统性能要求 1.温度控制范围为室温到 0 100 ，要求精确 到小于 1 ； 2.可人工设定温度范围内的任一温度点； 单片机 温度控制 显示电路 温度传感器 键盘设定 - 5 - 3.由单片机控制显示当前炉内的温度； 4.系统性能稳定、操控性好。 2.2 硬件电路分析与方案选择 2.2.1 硬件电路分析 目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路和单片机两种形式。 1模拟控制电路 模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元件组成
16、。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越来越好，它还取决于被控系统的响应性。在本系统中，由 于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很好，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元件之间的电器关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法 6,7,8。 2单片机 单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理器 CPU、随机存取储器 RAM、只读存储器 ROM、定时 /计数器以及 I/O输入输出接口等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大、
17、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控 制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。 2.2.2 硬件电路确定 AT89C51 片内含 4k Bytes ISP 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51指令系统及 80S51 引脚结构， AT89C51 具有如下特点： 40 个引脚， 4k Bytes Flash片内程序存储器， 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）口， 5 个中断优先 级 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时计
